[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

위 점막 장벽(gastric mucosal barrier)은 입으로 들어오는 영양소, 독성 물질, 세균 등을 포함하는 모든 외부물질에 대한 1차 방어선으로 위장관 내강을 보호하는 차단벽 역할을 한다. 위 상피세포를 보호하는 이러한 위 점막 장벽은 균 감염, 술, 담배, 스트레스에 의한 면역력 감퇴 등 여러 내, 외재적 원인에 의해 붕괴될 수 있으며, 이후 다양한 심각한 위장 질환을 야기한다. 최근 현대인에게서 지속적으로 그 발병율이 증가하고 있는 위염, 장상피화생, 위암과 같은 만성, 급성 위장 질환에 대한 연구의 수요는 나날이 높아지고 있으며, 이에 따라 인간 위 점막 장벽을 우수하게 모사하고 있는 체외 모델 개발이 요구되고 있다.

하지만 기존의 위장 모델들은, 동물 모델의 경우 실제 인간 위와는 다른 해부학적 위치 및 기능을 보이거나, 체외 세포 모델의 경우에는 인간 위 수준의 점막 장벽을 형성하고 있지 못한 한계로 온전히 인간의 병태생리학적 현상을 대변한다고 할 수 없었다. 특히, 위에서 서식하는 헬리코박터 파일로리균의 경우, 전 세계의 절반 이상의 인구에 감염되어 있으며, 위장 질환 발병과 가장 밀접한 관련이 있다고 알려져 있으나, 직접적으로 어떤 병리학적 메커니즘에 의해 질환으로 발전하는지는 여전히 모호한 부분이 많다.

이후 줄기세포 기반의 장기 특이적 특성을 모사하는 오가노이드 배양 기술 개발 이후, 위장관 감염 연구에도 많은 진척이 있을 것이라 기대했으나, 실제로는 기능적 성숙도 측면에서 개선되어야 할 부분이 여전히 많이 남아 있다. 특히 기존 오가노이드의 경우, 오직 상피세포 계통의 세포들로만 이루어져 있기 때문에 실제 위 점막 장벽의 안정성에 기여하는 점막 하 조직(submucosal compartment)과 같은 주변 기질 세포들의 신호전달 물질이 부재하다. 설령 신호전달 물질을 외부에서 처리해준다거나, 실제 주변 기질 세포와 공동 배양한다 해도 줄기세포능이 높아지거나, 분화능이 높아지는 등 한쪽 방향으로의 유지만이 가능했기에 역동적인 위 점막 장벽을 구현해내는 데는 한계가 있었다.

2. 연구내용

UNIST 박태은 교수 연구팀은 위와 같은 미성숙한 위 점막 장벽 기능을 가진 기존의 체외 위 모델들의 한계를 개선하고, 새롭게 개발한 모델을 활용하여 실제 숙주 세포와 헬리코박터 파일로리균 간의 병태생리학적 현상을 재현하고자 했다.

연구팀은 두 개의 미세채널로 구성된 생체칩 디바이스를 이용하여, 미세 유체 흐름 하에서 한쪽 채널에는 위 오가노이드 유래 위 상피세포를, 다른 쪽 채널에는 점막 하 조직 유래 중간엽 기질 세포를 동시 배양했다. 먼저, 미세 유체 흐름으로 제공되는 기계적 자극 효과를 통해 (1) 중간엽 기질 세포의 주변 미세환경 기능이 향상되었는데, 위 상피세포의 항상성 유지에 필요한 신호전달 물질을 분비하는 세포인 텔로사이트(FOXL1+ 세포)의 비율이 증가됨과 동시에, 실제 위 상피세포의 줄기세포능 활성을 돕는 Wnt2b, Egf, Fgf10과 같은 인자들의 분비가 증가됨을 확인했다.

이러한 미세환경 형성은 결과적으로 (2) 위 상피세포의 항상성 유지에 크게 기여했다. 이것은 줄기세포의 비대칭적 분열을 통한 전이-증폭 세포(Ki-67+, SOX2+ 세포)의 비율을 증가시켰고, 특정 기능을 지닌 세포(MUC5AC+, MUC6+, GAST+ 세포)의 분화를 빠르게 이끌었다. 궁극적으로 본 연구팀은 앞서 설명한 효과적인 상피세포 항상성 유지 덕분에 인간 위 유사 위 점막 장벽을 구현해내는 데 성공했으며, 이를 이용해 헬리코박터 파일로리 감염 연구도 추가적으로 진행되었다.

위 점막층의 점탄성을 부여하는 위점막펩티드(TFF1)는 헬리코박터 파일로리균이 위 상피세포까지 도달하는 것을 막는 중요한 방어 기작으로써 본 모델에 효과적으로 발현되어 있음을 확인했다. 이에 TFF1의 유전자 발현 수준을 억제시키는 siRNA 시스템을 도입하여 염증 반응 변화를 관찰했다. 그 결과 TFF1의 발현 억제는 염증 반응을 심화시킨다는 것을 염증 사이토카인/ 케모카인의 발현 수준 증가를 통해 확인했고, 위 점막 펩티드의 발현이 위장 내벽 보호에 중요한 요소임을 입증했다. 나아가, 면역세포와의 공배양을 통해 면역세포 동원과 같은 현상을 직접 관찰함으로써 위 상피세포-면역세포 간의 면역 체계 시스템을 모니터링할 수 있는 모델임을 보여줬다.

3. 기대효과

본 연구결과는 위 점막 장벽의 체내 환경을 재현할 수 있는 첫 번째 인간 위 MPS로서, 위 점막 장벽의 안정성 유지에 필수적인 상피-중간엽 상호작용에 대한 종합적 이해를 돕고, 위장의 박테리아 및 바이러스와 같은 감염원에 대항하는 약물 개발 및 치료 접근법을 향상시킬 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 생체모사칩 (Organ-on-a-chip)

장기-온-칩이라고도 불리며, 인체의 생리학적 현상을 재현, 예측할 수 있는 모델 시스템.

2. 오가노이드 (Organoid)

인간의 장기와 유사한 장기유사체 또는 미니 장기를 일컬는 말로, 줄기세포 기반의 3차원 배양체.

3. 중간엽 기질 세포 (Mesenchymal stromal cell)

발생학적으로 중배엽 기원 세포로 조직 재생 및 발달에 기여하는 세포의 한 종류.

4. 위점막 장벽 (Gastric mucosal barrier)

위 상피세포가 분비하는 점액 및 펩티드로 구성된 방어장벽.

5. 헬리코박터 파일로리 (Helicobacter pylori)

악성종양의 원인이 될 수 있는 유일한 병원체로 강력한 위산을 견뎌 위 내강에 서식하는 세균.

[붙임] 그림설명

그림1. 인간 위 미세생리 시스템(human stomach MPS) 모식도와 위 상피세포 특이적 발현 세포의 확인

(E-cadherin : 상피세포간 접착단백질; Mucin 5AC, Mucin 6 : 위 점액 단백질; Trefoil factor 1 : 위점막펩티드; Gastrin : 위산 분비 조절 호르몬)

그림2. 위점막 생체모사칩 내 상피-중간엽 기질 세포 간 상호작용에 따른 위 상피세포의 항상성(줄기세포능-분화능 조절) 유지 및 위점막 장벽 형성

그림3. 헬리코박터 파일로리균 감염 모델로써 활용된 인간 위점막 장벽 생체모사칩과 위점막펩티드(TFF1) 발현 패턴 변화